JP2727935B2 - 外部高調波発生レーザ発振器 - Google Patents

外部高調波発生レーザ発振器

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JP2727935B2 JP5284709A JP28470993A JP2727935B2 JP 2727935 B2 JP2727935 B2 JP 2727935B2 JP 5284709 A JP5284709 A JP 5284709A JP 28470993 A JP28470993 A JP 28470993A JP 2727935 B2 JP2727935 B2 JP 2727935B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、外部高調波発生レーザ
発振器に関し、特に、非線形光学結晶を用いた外部高調
波発生方式による外部高調波発生レーザ発振器に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、非線形光学結晶を用いた外部高調
波発生方式による外部高調波発生レーザ発振器として
は、波長1.064μmのNd:YAGレーザ光に対し
て波長532nmの第2高調波光(SHG光)を発生す
るもの、および、Nd:YAGレーザの内部共振器型S
HG発振器の第3高調波光(THG光)または第4高調
波光(FHG光)を発生するものがある。なお、このよ
うな外部高調波発生レーザ発振器は、可視光や紫外光に
対する波長変換を共振器外部で行い、しかも、発生した
高調波光を安定させるとともに、光パルスの立ち上り時
間の短い高速スイッチング動作を必要とする場合に用い
られる。
【0003】また、発生する高調波光をスイッチングす
る場合は、高調波光を発生させる非線形光学結晶に基本
波であるレーザ光を入射させる際に、このレーザ光自体
をオン/オフすることで高調波光のオン/オフをさせて
いた。
【0004】
【発明が解決しようとする問題】しかしながら、上述し
た従来の外部高調波発生レーザ発振器では、非線形光学
結晶に入射させるレーザ光をスイッチングしたりあるい
は変調周波数を変えているため、非線形光学結晶に入射
させるレーザ光の入力平均パワーも変わる。非線形光学
結晶による高調波光の発生の原理として、入射光と変換
光(高調波光・混合波光)の位相速度を合わせる(位相
整合)というのは、言い換えれば入射光と変換光の屈折
率整合をとることである。結晶の屈折率は結晶の温度に
よって変わるものであるから、位相整合(屈折率整合)
を温度整合で実現する場合はいうに及ばず、角度整合す
る際にも、結晶の温度が変わると、位相整合条件がずれ
て変換効率が変化することになる。
【0005】一例として、非線形光学結晶としてβ−B
BO結晶を用い、Nd:YAGの第2高調波光(波長5
32nm)をβ−BBO結晶に入射して第4高調波光
(波長266nm)に変換するときの変換効率と結晶温
度との関係を求めた一シュミレーション結果を図3に示
す。同図において、縦軸は、変換効率ηm を示し、横軸
は、位相整合状態の結晶温度からの結晶温度変化分dT
を示している。このシュミレーション結果より、結晶温
度が位相整合状態の結晶温度から約4.6℃変化しただ
けで、変換効率ηm が半分にまで減少することがわか
る。
【0006】非線形光学結晶には多かれ少なかれ若干の
吸収があるので、非線形光学結晶に入射されるレーザ光
の平均パワーが変わると、非線形光学結晶自身の温度も
変わり、非線形光学結晶の位相整合条件が変化する。図
3のシュミレーション結果より非線形光学結晶の温度が
瞬間的に5℃程度上昇することを防ぐために、非線形光
学結晶に対して恒温化制御することが考えられるが、通
常は熱伝達時間が大きいため、このような恒温化制御は
困難である。特に、非線形光学結晶に入射されるレーザ
光のパワーが1W程度になると、非線形光学結晶の温度
変化の影響が大きくなり、入射されるレーザ光を断続さ
せる場合には、変換される高調波光の立ち上がり特性
(スイッチング特性)が極端に悪くなるという問題が発
生する。
【0007】たとえば、パワーが5WのNd:YAGレ
ーザの第2高調波光をβ−BBO結晶に照射させて第4
高調波光を発生させる場合には、数秒程度の時間第2高
調波光を一旦オフするだけで、第4高調波光の0%から
100%への立ち上り時間として秒単位の立ち上り時間
が必要となる。その結果、レーザ加工機に使用する場合
には、レーザ光のオン/オフは頻繁に必要であるため、
秒単位の立ち上り時間が必要であることは、実用上の大
きな障害となっていた。
【0008】なお、ポッケルスセルを用いて高速スイッ
チングを行うものとしては、たとえば、Qスイッチ時刻
後からのポッケルスセルへの印加電圧の変化を、レーザ
ロッドの励起エネルギの大きさに依存する巨大パルスの
発生時刻と関係づけて制御するポッケルスセル制御回路
を備えることにより、上記励起エネルギの変動に対して
レーザ出力を安定化するパルスレーザ装置(特開昭61
−168979号公報)などが提案されているが、外部
高調波発生レーザ発振器の立ち上り時間の高速化の観点
からポッケルスセルを用いる従来例はない。
【0009】本発明の目的は、立ち上り時間の高速化お
よび出力安定度の向上が図れる外部高調波発生レーザ発
振器を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の外部高調波発生
レーザ発振器は、所定の偏光方向を有するレーザ光を、
非線形光学結晶を用いて該レーザ光の高調波光に変換し
て出力する外部高調波発生レーザ発振器において、前記
高調波光の出力パワーを微調整するための回転機構を備
え、入射される前記レーザ光の偏光面を所定の角度だけ
回転させる1/2波長板と、前記1/2波長板と前記非
線形光学結晶との間に設けられた、印加電圧に応じて入
射光の偏光面を回転させることができる電気光学素子
と、を有することを特徴とする。
【0011】ここで、前記電気光学素子がポッケルスセ
ルであってもよい。
【0012】または、所定の偏光方向を有するレーザ光
を、非線形光学結晶を用いて該レーザ光の高調波光に変
換して出力する外部高調波発生レーザ発振器において、
前記高調波光の出力パワーを微調整するための回転機構
を備え、入射される前記レーザ光の偏光面を所定の角度
だけ回転させる1/2波長板と、前記1/2波長板と前
記非線形光学結晶との間に設けられた、印加磁界に応じ
て入射光の偏光面を回転させることができる磁気光学素
と、を有することを特徴とする。
【0013】ここで、前記磁気光学素子がファラデーセ
ルであってもよい。
【0014】
【作用】本発明の外部高調波発生レーザ発振器では、非
線形光学結晶に入射される基本波レーザ光または高調波
レーザ光は、電気光学素子または磁気光学素子を透過し
たのち、一定出力にて連続で発振された状態で非線形光
学結晶に入射されるため、非線形光学結晶の中心部での
温度が変わることがない。また、非線形光学結晶での位
相整合は温度整合や角度整合のいずれにおいても非線形
光学結晶の主軸に対する偏光方向によって変換効率が調
整できるので、非線形光学結晶に入射させる基本波レー
ザ光または高調波レーザ光の偏光面を変えることによっ
て、基本波レーザ光または高調波レーザ光の強度を一定
としたままで、高調波発生の強度を可変させることがで
きる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。
【0016】図1は、本発明の外部高調波発生レーザ発
振器の第1の実施例を示す概略構成図である。
【0017】外部高調波発生レーザ発振器10は、CW
−QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波光(波長
532nm)をβ−BBO結晶15に入射させて第4高
調波光(波長266nm)を発生させるためのものであ
るとともに、ポッケルスセル13を用いた第2高調波光
の偏光度制御によって第4高調波光のスイッチングを行
うものである。
【0018】外部高調波発生レーザ発振器10は、波長
532nmの第2高調波光を出射する内部共振器型の第
2高調波光発振器11と、第2高調波光発振器11から
出射された第2高調波光が入射される回転機構付きλ/
2板12と、回転機構付きλ/2板12を透過した第2
高調波光が入射されるポッケルスセル13と、ポッケル
スセル13を透過した第2高調波光が入射される集光レ
ンズ14と、集光レンズ14で集光された第2高調波光
を第4高調波光に変換するためのβ−BBO結晶15
と、β−BBO結晶15の出射側に設けられた、波長5
32nmの第2高調波光を透過するとともに波長266
nmの第4高調波光を全反射するようにコーティングさ
れた第1のダイクロイックミラー16と、第1のダイク
ロイックミラー16を透過した第2高調波光(すなわ
ち、β−BBO結晶15で第4高調波光に変換されなか
った第2高調波光)を吸収するためのダンパー17と、
第1のダイクロイックミラー16で全反射された第4高
調波光が入射される、波長532nmの第2高調波光を
透過するとともに波長266nmの第4高調波光を全反
射するようにコーティングされた第2のダイクロイック
ミラー18と、第2のダイクロイックミラー18を透過
してくる第2高調波光を遮断するカットフィルタ19
と、カットフィルタ19の出射側に設けられた、第4高
調波光を減衰させるアッテネータ20と、アッテネータ
20の出射側に設けられた、波長266nm用フォトダ
イオードを用いた内部パワーモニター21と、ポッケル
スセル13に印加電圧VS を印加するためのドライバー
22(高電圧発生回路)と、ドライバー22からポッケ
ルスセル13への印加電圧VS の出力をオン/オフさせ
るためのフォトカプラー23および外部制御機器24と
を備えている。
【0019】一般に、直線偏光のレーザ光を周波数逓倍
用の非線形光学結晶に入射させる場合には、λ/2板
(1/2波長板)を非線形光学結晶の入射側に設けて、
λ/2板の結晶軸に対してθ°回転させた直線偏光を入
射させることにより、λ/2板を通ったレーザ光の偏光
を2θ°回転させることができるため、λ/2板を手動
的に回転させて高調波の強度を調整することができる。
しかしながら、このようにλ/2板を手動的に回転させ
る方法では、レーザ光を高速にオン/オフしたりレーザ
光に変調をかけたりすることはできない。
【0020】そこで、外部高調波発生レーザ発振器10
では、高速に偏光面を回転させることができる電気光学
素子であるポッケルスセル13を回転機構付きλ/2板
12とβ−BBO結晶15(非線形光学結晶)との間に
配置する。いま、ポッケルスセル13における位相差α
とドライバ22からポッケルスセル13への印加電圧V
S (変調信号)との関係は、 α=K・VS (1) ここで、Kは定数 で表わされるため、印加電圧VS を連続的に変化させる
ことにより位相差αを連続的に変化させることができ
る。
【0021】したがって、位相差αがちょうど半波長分
となる半波長電圧値va に印加電圧VS の電圧値を設定
することにより、集光レンズ14を介してβ−BBO結
晶15に入射する第2高調波光の偏光方向を90°だけ
回転させることができるので、β−BBO結晶15にお
ける第2高調波光から第4高調波光への変換効率を約0
%または約100%に制御することができる。また、印
加電圧VS の電圧値を半波長電圧値va よりも小さくす
ると、ポッケルスセル13を透過した第2高調波光は楕
円偏光に変換される。この楕円偏光をβ−BBO結晶1
5に入射させた場合は、楕円偏光を分解した偏光(電
界)成分のうちの一方の高調波発生に寄与する成分に見
合う大きさの変換光強度が得られるため、印加電圧VS
を制御して楕円偏光の互いに直交する電界成分の位相を
連続的に変えることによって、β−BBO結晶15にお
いて変換される第4高調波光の強度を0%〜100%の
間で自由にコントロールすることもできる。なお、ポッ
ケルスセル13の応答時間は、ナノ秒(10-9秒)オー
ダかあるいはそれ以下であるため、レーザ加工機の光源
として問題ない高速スイッチングが可能となる。
【0022】β−BBO結晶15は一般に「Type
1」と呼ばれているものであり、角度マッチングまたは
温度マッチングにより位相整合がとれるようにカットさ
れている。この位相整合を完全にするためには、β−B
BO結晶15へ入射させる第2高調波光の偏光方向をβ
−BBO結晶15の光学軸に対して所定の角度に一意的
に合わせることが必要である。しかし、β−BBO結晶
15へ入射してくる第2高調波光の偏光方向は、第2高
調波光発振器11を構成する偏光板およびブルュースタ
ー板(ともに不図示)などによって規定されているた
め、第2高調波光の偏光方向を自由に回転させることは
困難である。したがって、β−BBO結晶15自体を回
転させて微調することが必要となるが、β−BBO結晶
15は角度調整機構や結晶の恒温化ユニットが取り付け
られているため、この部分に微調回転機構を設けること
は困難である。そこで、外部高調波発生レーザ発振器1
0では、ポッケルスセル13にドライバ22から印加電
圧VS をかけない状態で、または、印加電圧VS の電圧
値を半波長電圧値va とした状態で、第4高調波光の出
力が最大または最小となるように、内部パワーモニター
21を見ながら回転機構付きλ/2板12を回転させて
調整する。
【0023】図2は、本発明の外部高調波発生レーザ発
振器の第2の実施例を示す概略構成図である。
【0024】外部高調波発生レーザ発振器50は、CW
−QスイッチNd:YAGレーザの第2高調波光(波長
532nm)をβ−BBO結晶55に入射させて第4高
調波光(波長266nm)を発生させるためのものであ
るとともに、ファラデーセル53を用いた第2高調波光
の偏光度制御によって第4高調波光のスイッチングを行
うものである。
【0025】外部高調波発生レーザ発振器50は、以下
に示す点で、図1に示した第1の実施例の外部高調波発
生レーザ発振器10と異なる。 (1)回転機構付きλ/2板52と集光レンズ54との
間に、図1に示したポッケルスセル13の代わりに、印
加磁界Hに応じて偏光面を回転させることができる磁気
光学素子であるファラデーセル53を含む。 (2)ドライバー62は、ファラデーセル53に電流I
を供給して、ファラデーセル53に印加磁界Hを印加す
るためのものである。
【0026】ファラデーセル53における偏光面の回転
角β(ファラデー回転角)は、ファラデーセル53の長
さLおよび印加磁界Hに対して、 β=KV ・L・H (2) ここで、KV はベルデ定数 で与えられる。したがって、印加磁界Hは電流Iによっ
て自由に制御できるので、電流Iを変化させることによ
り、回転角βを0°〜90°の間で変化させることがで
きる。その結果、ポッケルスセル13を用いた場合と同
様にして、高速スイッチングが可能となる。
【0027】以上の説明では、第2高調波光を第4高調
波光に変換したが、本発明の外部高調波発生レーザ発振
器はこれに限らず、たとえば基本波レーザ光を任意の高
調波光に変換する場合にも有効である。
【0028】
【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次の効果を奏する。
【0029】印加電圧に応じて偏光面を回転させること
ができる電気光学素子または印加磁界に応じて偏光面を
回転させることができる磁気光学素子を含むことによ
り、高速スイッチングが可能となるため、高出力な外部
高調波発生レーザ発振器におけるレーザのオン/オフ特
性(立ち上がり時間応答性)を秒オーダまたは分オーダ
からナノ秒オーダに改善することができる。その結果、
たとえば、Nd:YAGレーザのCW−Qスイッチパル
スレーザの第4高調波光(波長266nm)を用いて、
Qスイッチパルス1ショット単位でドットを制御するレ
ーザマーキングする装置の光源にも、本発明の外部高調
波発生レーザ発振器を適用することができる。また、レ
ーザビームの高速スイッチングの必要なレーザトリミン
グ装置やレーザスクライバー装置などにも、本発明の外
部高調波発生レーザ発振器を使用することができる。さ
らに、高速スイッチングが必要な用途のみでなく、高調
波光のオン/オフの頻度がランダムになったりまたは途
中で変わるときでも、安定度を大きく改善させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の外部高調波発生レーザ発振器の第1の
実施例を示す概略構成図である。
【図2】本発明の外部高調波発生レーザ発振器の第2の
実施例を示す概略構成図である。
【図3】従来の外部高調波発生レーザ発振器において、
非線形光学結晶としてβ−BBO結晶を用い、Nd:Y
AGの第2高調波光(波長532nm)をβ−BBO結
晶に入射して第4高調波光(波長266nm)に変換す
るときの変換効率と結晶温度との関係を求めた一シュミ
レーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
10,50 外部高調波発生レーザ発振器 11,51 第2高調波光発振器 12,52 λ/2板 13 ポッケルスセル 14,54 集光レンズ 15,55 β−BBO結晶 16,56 第1のダイクロイックミラー 17,57 ダンパー 18,58 第2のダイクロイックミラー 19,59 カットフィルタ 20,60 アッテネータ 21,61 内部パワーモニター 22,62 ドライバー 23,63 フォトカプラー 24,64 外部制御機器53 ファラデーセル

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の偏光方向を有するレーザ光を、非
    線形光学結晶を用いて該レーザ光の高調波光に変換して
    出力する外部高調波発生レーザ発振器において、 前記高調波光の出力パワーを微調整するための回転機構
    を備え、入射される前記レーザ光の偏光面を所定の角度
    だけ回転させる1/2波長板と、 前記1/2波長板と前記非線形光学結晶との間に設けら
    れた、印加電圧に応じて入射光の偏光面を回転させるこ
    とができる電気光学素子と、 を有する ことを特徴とする外部高調波発生レーザ発振
    器。
  2. 【請求項2】 前記電気光学素子がポッケルスセルであ
    ることを特徴とする請求項1記載の外部高調波発生レー
    ザ発振器。
  3. 【請求項3】 所定の偏光方向を有するレーザ光を、非
    線形光学結晶を用いて該レーザ光の高調波光に変換して
    出力する外部高調波発生レーザ発振器において、 前記高調波光の出力パワーを微調整するための回転機構
    を備え、入射される前記レーザ光の偏光面を所定の角度
    だけ回転させる1/2波長板と、 前記1/2波長板と前記非線形光学結晶との間に設けら
    れた、印加磁界に応じて入射光の偏光面を回転させるこ
    とができる磁気光学素子と、 を有する ことを特徴とする外部高調波発生レーザ発振
    器。
  4. 【請求項4】 前記磁気光学素子がファラデーセルであ
    ることを特徴とする請求項3記載の外部高調波発生レー
    ザ発振器。
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